Interview mit Balu Balakrishnan »Mein Margarita-Moment«

Auf der APEC traf die DESIGN&ELEKTRONIK den CEO von Power Integrations, Balu Balakrishnan. Wir konnten mit dem erfahrenen Chipdesigner über das Unternehmen und dessen Produkte reden. Dabei verriet er uns Unerwartetes, nämlich was ein Cocktail mit dem neuesten Produkt zu tun hat.

DESIGN&ELEKTRONIK: Die Grundidee, mit der Power Integrations startete, ist die monolithische Integration von Leistungs-MOSFET und PWM-Controller auf einem Chip. Wer hatte diese Idee?

Balu Balakrishnan: Das war Klaas Eklund, der im Jahr 1988 dieses Unternehmen gegründet hat. Ich selber stieß ein paar Monate nach der Gründung dazu. Die echte Herausforderung bestand darin, diese Idee kosteneffizient umzusetzen. Alleine einen PWM-Controller und einen Schalttransistor in einem Gehäuse unterzubringen ist tatsächlich teurer als diese getrennt zu implementieren. Denn dann wäre ein spezielles Power-Package mit 23 Pins nötig. Der echte Durchbruch kam, als wir herausfanden, wie wir alles in einem Standard-TO-220-Gehäuse mit nur drei Pins unterbringen könnten.

Können Sie uns ein bisschen über diese Zeit erzählen?

Die Herausforderung, vor der wir standen, lautete also: Wie können wir die Anzahl der Pins reduzieren? Anfangs waren wir davon überzeugt, fünf oder sieben Pins sind zu schaffen. Aber drei? Niemals! Als wir nach einiger Zeit bei fünf angekommen waren, dachten wir, weniger gehe nicht. Uns war klar, wir brauchen zwei Pins, um den Schalttransistor anzuschließen, einen Steuer-Pin, zwei Pins für die Versorgung des PWM-Controllers, einen Bypass-Pin und einen sogenannten Kompensations-Pin. Dann saß ich eines Tages mit einem meiner Ingenieure zusammen und wir überlegten, ob wir vielleicht doch zwei Pins zusammenlegen könnten. Und wir schafften es! Da waren‘s nur noch vier. Dann war die Versuchung natürlich sehr groß, auf drei Anschlüsse zu kommen. (lacht)

Wir hatten also neben den beiden Anschlüssen für den Leistungstransistor noch einen Versorgungs-Pin und einen Feedback-Pin. Wie aber sollten wir die beiden Letzteren zusammenlegen? Ich glaube, es war etwa eine halbe Stunde später, dass wir eine Antwort hatten. Wir simulierten unsere Lösung, lösten noch ein paar aufkommende Herausforderungen. Und nun, im Jahr 1994, hatten wir zu ersten Mal einen kompletten Schaltregler mit nur noch drei Anschlüssen, den TOPSwitch!

Soweit ich weiß, nutzen Sie laterale MOSFETs in Ihren Bausteinen. Heute sind vertikale MOSFETs Stand der Technik. Warum setzen Sie eigentlich laterale Strukturen ein? Welche Nachteile entstehen daraus?

Laterale Strukturen lassen sich einfacher integrieren. Gate und Source befinden sich auf der gleichen Seite, die Rückseite liegt auf Masse. Bei vertikalen MOSFETs aber ist der Drain-Anschluss hinten. Das hätte in unserem Fall jedoch dazu geführt, dass über dem Controller-Schaltungsteil eine sehr hohe Spannung liegen würde. Das ist der eine Grund.

Der andere, viel wichtigere Grund ist ein systembedingter. Dadurch, dass bei uns die Rückseite auf Masse liegt, brauchen wir keine isolierende Schicht zwischen dem Bauteil und dem Kühlkörper, was einerseits thermische Vorteile hat, andererseits auch hinsichtlich der EMV gut ist. So gesehen ist es also ein großer Vorteil, laterale MOSFETs zu implementieren. Hinzu kommt, dass sich laterale MOSFET-Strukturen sehr kosteneffizient herstellen lassen, ja, viel kostengünstiger als vertikale.

Ich kann mich an meine Zeit als Schaltnetzteil-Entwickler Ende der 1990er Jahre erinnern. Damals wurde immer gesagt, die Schaltregler von Power Integrations seien nicht Avalanche-fest. Stimmte das eigentlich?

Fakt ist, vertikale MOSFETs haben eine wesentlich geringere Stromdichte als laterale. Denn bei den Lateralen fließt der Strom durch eine nur fünf Mikrometer tiefe Schicht an der Oberfläche. Zu bedenken ist jedoch, dass wir durch die Integration des Controllers auf dem Chip verschiedene Schutzschaltungen bereitstellen können, um den Schalter zu schützen. Diese können den MOSFET sehr schnell abschalten, beispielsweise wenn der Trafo in die Sättigung fährt.

Klar kommt immer wieder das Argument, unsere Bausteine seien nicht Avalanche-fest. Das stimmt, vertikale MOSFETs können wegen der niedrigeren Stromdichte mehr Energie aus einem Lawinendurchbruch aufnehmen. Aber eigentlich sollten Anwender die von ihnen eingesetzten Schalter gar nicht erst avalanchen lassen. Das hat mehrere Gründe. Erstens »verbraten« sie so eine Menge Energie. Angenommen Sie möchten den Lawinendurchbruch als Klemmung nutzen, um das Überschwingen zu begrenzen. Der Strom fließt von einer sehr hohen Spannung direkt zur Masse; das bedeutet also eine Riesenenergie, die in Wärme umgesetzt wird.

Zweitens sollten auch moderne vertikale MOSFETs mit ihren eng gepackten Strukturen wie der CoolMOS von Infineon nicht avalanchen. In ihren Datenblättern und Applikationsschriften raten die Hersteller davon ab. Darf ein solches Bauteil einmal avalanchen? Wahrscheinlich ist das kein Problem. Aber immer wieder?

Drittes sind da die strengen Richtlinien bezüglich der Energieeffizienz. Es gab eine Zeit, in der manche Schaltungsentwickler den Lawinendurchbruch genutzt haben. Heute aber ist das »Verbraten« von Energie einfach nicht mehr angesagt.